Введение
История конденсаторов уходит в глубь веков. Первым прототипом конденсатора принято считать лейденскую банку, которую независимо друг от друга в 1745 г. создали немец Эвальд Юрген фон Клейст (Ewald Georg von Kleist) и голландец Питер ван Мушенбрук (Pieter van Musschenbroek). Разумеется, за прошедшие годы технология конденсаторов претерпела множество изменений, одно поколение устройств сменяло другое, и конструктивно современные конденсаторы бесконечно далеки от прародителей. Основные различия между ними заключаются в типах применяемых диэлектриков.
В рамках краткого обзора невозможно рассмотреть подробно особенности практического применения всех типов конденсаторов, поэтому сосредоточимся на тех, которые наиболее часто применяются в современной электронике. Общая классификация выглядит следующим образом:
- конденсаторы с оксидным диэлектриком (электролитические конденсаторы):
- алюминиевые;
- танталовые;
- гибридные;
- пленочные конденсаторы с диэлектриком из различных полимеров;
- конденсаторы с твердым диэлектриком:
- керамические конденсаторы;
- диэлектрик из стекла;
- слюдяные конденсаторы.
По способу монтажа различают три категории:
- для поверхностного монтажа;
- для монтажа в отверстия;
- с выводами под винт.
Иногда конденсаторы с оксидным диэлектриком называют электролитическими конденсаторами, но это неверно. Танталовые конденсаторы не являются электролитическими.
Несмотря на множество различий, для всех типов конденсаторов используется одна и та же эквивалентная схема. Она показана на рис. 1, и на ней отображены паразитные элементы конденсатора:
Рис. 1. Эквивалентная схема конденсатора
- ESL – эквивалентная последовательная индуктивность;
- ESR – эквивалентное последовательное сопротивление;
- RL – сопротивление утечки.
Особенности практического применения конденсаторов
Многослойные керамические конденсаторы (MLCC)
Этот тип конденсаторов можно найти практически на любой печатной плате. Массовость их применения обусловлена экономичностью и отличными частотными свойствами. Керамические конденсаторы разделяются на две группы: в одной из них используется диэлектрик класса I, а в другой — класса II.
Диэлектрик класса I имеет хорошую стабильность, но небольшую диэлектрическую проницаемость, поэтому емкость конденсаторов с ним обычно не превышает 10 нФ. Диэлектрик класса II, напротив, имеет высокую диэлектрическую проницаемость, что позволяет достичь емкости в несколько сотен микрофарад, но он нестабилен, поэтому величина емкости конденсатора зависит от условий эксплуатации.
Емкость керамического конденсатора в основном зависит от трех условий: температуры, постоянного напряжения смещения и длительности эксплуатации (старения). Сведения о температурной нестабильности содержатся в документации изготовителя, и ее легко учесть. К сожалению, изготовитель обычно ничего не говорит о других двух факторах.
При заряде конденсатора до напряжения U в диэлектрике возникает электрическое поле, напряженность которого определяется выражением:
E = U/T, (1)
где: E — напряженность электрического поля; T — толщина диэлектрика.
Напряженность E не влияет на диэлектрик класса I, но влияет на параметры диэлектрика класса II и, следовательно, на емкость конденсатора. На рис. 2 приведены экспериментальные результаты влияния постоянного смещения на конденсаторы емкостью 4,7 мкФ разных производителей. Конденсаторы имели разные типоразмеры и разные нормируемые напряжения.
Рис. 2. Влияние постоянного смещения на конденсаторы емкостью 4,7 мкФ разных производителей
Как видно из рисунка, чем больше типоразмер конденсатора, толщина диэлектрика, нормируемое напряжение, тем меньше постоянное смещение сказывается на емкости конденсатора. Однако отметим, что и при одинаковых параметрах конденсаторы разных производителей ведут себя по-разному.
Старению, так же, как и воздействию постоянного смещения, тоже подвержены только конденсаторы с диэлектриком класса II. Причина в том, что их диэлектрик, в отличие от диэлектрика класса I, представляет собой ферроэлектрический материал. Со временем происходит переориентация магнитных диполей и свойства диэлектрика меняются. Старение происходит не только при эксплуатации, но и при хранении конденсаторов.
Однако процесс старения обратим: при нагревании до температуры выше точки Кюри в данном случае +125 °С) происходит риформинг — емкость конденсатора возвращается к начальной. До +125 °С конденсатор нагревается в печи оплавления, потому отсчет срока службы можно начинать от момента монтажа. Напомним, что точкой Кюри называется температура, при которой происходит фазовый переход в состоянии вещества. В нашем случае диэлектрик конденсатора становится парамагнетиком.
При старении емкость конденсатора изменяется на 3–7% в течение декады, выраженной в часах. Ранее считалось, что механизмы старения действуют независимо, но исследования, проведенные компанией Vishay, показали, что при постоянном смещении темп старения возрастает. Также ускоряет процесс старения повышение температуры.
В таблице приведены все факторы, влияющие на изменение емкости конденсаторов (по данным Vishay), и остаточная емкость конденсаторов через 100 тыс. ч (около 11,5 лет). Следует учесть, что в промышленных приложениях срок службы изделий достигает 15–20 лет, а иногда и 25 лет, поэтому в таких изделиях желательно использовать конденсаторы с диэлектриком класса I.
|
Воздействие на конденсатор |
Конденсатор 1 мкФ, 25 В |
Конденсатор 2,2 мкФ, 10 В |
|---|---|---|
|
Начальная погрешность |
–10% |
–10% |
|
Смещение 5 В |
–20% |
–56% |
|
Температура +70 °С |
–10% |
–10% |
|
Старение за 100 тыс. ч |
–25% |
–25% |
|
Снижение емкости из-за указанных воздействий |
0,49 мкФ |
0,58 мкФ |
Электролитические конденсаторы
Частотные свойства этих конденсаторов хуже, чем у керамических, но они имеют самую высокую плотность емкости. Конденсаторы производятся по одной из трех технологий:
- с жидким электролитом;
- с твердым электролитом из проводящих полимеров;
- гибрид, сочетающий жидкий электролит и проводящие полимеры.
Емкость электролитических конденсаторов с жидким электролитом достигает сотен тысяч микрофарад, но ахиллесовой пятой таких конденсаторов является срок службы, его величина определяется формулой:
(2)
где:
Tx – температура при эксплуатации; L0 — срок службы по документации производителя при заданных режимах эксплуатации; IX — рабочий ток пульсации в схеме; I0 — нормируемый ток пульсации; K = 2 при IX > I0 и K = 4 IX ≤ I0.
Как видно из (2), для того чтобы увеличить срок службы конденсаторов, необходимо уменьшить его температуру и ток пульсаций. Заметим, что с уменьшением частоты уменьшается и максимально допустимое значение тока пульсации. Снизить рабочую температуру конденсатора можно не только за счет конструкции изделия, но и за счет выбора конденсатора большего размера, поскольку при этом увеличивается его поверхность охлаждения.
Конденсаторы с электролитом из проводящих полимеров имеют увеличенный срок службы, малый размер и высокую надежность, их емкость достигает нескольких тысяч микрофарад. Гибридные конденсаторы отличаются хорошей стабильностью, их параметры в меньшей степени зависят от условий эксплуатации. Сказанное иллюстрирует рис. 3, на котором показана зависимость емкости от частоты для электролитических конденсаторов с жидким электролитом и для гибридных конденсаторов. Также и сопротивление (ESR) гибридного конденсатора значительно меньше подвержено изменению во всем диапазоне рабочих частот.
Рис. 3. Зависимость емкости от частоты для электролитических конденсаторов с жидким электролитом и для гибридных конденсаторов
Следует еще отметить возможность самовосстановления полимерной пленки гибридных конденсаторов. В месте ее повреждения возрастает ток и из-за дополнительного нагрева разрушается молекулярная структура пленки в этом месте, что приводит к изолированию поврежденного участка и локализации разрушения. Поэтому гибридные конденсаторы более устойчивы к перегрузкам по току.
В компании Panasonic провели эксперимент, в котором гибридный конденсатор с нормируемым пульсирующим током 1,3 А подвергался воздействию пульсирующего тока 3,6 А. За 5 000 ч испытаний параметры конденсатора не вышли за пределы допусков, указанных в документации.
Танталовые конденсаторы
В конденсаторах этого типа отсутствует механизм старения, их параметры стабильны и очень мало зависят от условий эксплуатации. Увы, у них есть серьезный недостаток: при импульсном перенапряжении в них развивается ток короткого замыкания, что приводит к их перегреву и даже к возгоранию. Поэтому такие конденсаторы желательно выбирать с 2–, 2,5-кратным запасом по напряжению и использовать в цепях с токоограничивающими элементами.
Пленочные конденсаторы
По сочетанию параметров емкость — нормируемое напряжение — максимальный ток эти конденсаторы не имеют себе равных для применения в силовой электронике. Их можно использовать и в цепях помехоподавления, и в цепях сглаживания пульсаций тока.
Благодаря способности диэлектрика выдерживать высокую напряженность электрического поля (230–500 В/мкм) и весьма низкому ESR нормируемое напряжение пленочных конденсаторов может достигать нескольких тысяч вольт, а ток пульсации — нескольких десятков ампер.
Существуют две основные технологии производства таких конденсаторов: использование фольги или напыление металла. В первом случае фольгу, служащую обкладкой конденсатора, толщиной не более 5 мкм, помещают между слоями диэлектрика. Вторая технология заключается в напылении алюминия или сплавов цинка на полипропиленовую пленку толщиной 20–50 нм.
Конденсаторы, изготовленные с использованием фольги, допускают значительные максимальные токи, но в них практически отсутствует эффект самовосстановления. А вот в технологии с напылением этот эффект весьма заметен. Пробой такого конденсатора сопровождается электрической дугой, температура в месте пробоя может повыситься до +6000 °С, что приводит к испарению металла и исчезновению проводящего тракта, а следовательно, к восстановлению диэлектрической прочности.
Частотные характеристики конденсаторов
Нетрудно заметить, что схема замещения конденсатора представляет собой последовательный колебательный контур с собственной резонансной частотой ω0 = √1/(ESL × C) и степенью затухания — β = (ESR/2) × √C/ESL. Сопротивлением утечки RL в данном случае можно пренебречь. Примерный вид частотной характеристики импеданса пленочного, керамического и танталового конденсатора приведен на рис. 4. Частотная характеристика импеданса электролитического конденсатора более сглаженная, она изображена на рис. 5.
Рис. 4. Частотная характеристика импеданса пленочного, керамического и танталового конденсатора
Рис. 5. Частотная характеристика электролитического конденсатора
Для того чтобы уменьшить паразитные составляющие ESR и ESL, а следовательно, снизить потери и улучшить частотные свойства конденсаторов, можно вместо одного конденсатора с емкостью С использовать N параллельно включенных конденсаторов с емкостью С/N. При этом величина емкости не изменится, а ESR и ESL уменьшатся в N раз.